膜法富氧技術(shù)對高海拔柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

熊云，劉曉，范林君，許世海

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膜法富氧技術(shù)對高海拔柴油發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響

熊云，劉曉，范林君，許世海

（中國人民解放軍陸軍勤務(wù)學(xué)院，重慶 401331）

通過膜法富氧技術(shù)提高柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的高海拔使用性能。以卷式富氧膜為富氧氣體來源，以發(fā)動(dòng)機(jī)自身動(dòng)力為動(dòng)力來源，設(shè)計(jì)出富氧裝置制造富氧氣體。采用并聯(lián)進(jìn)氣方式，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)增加旁通管路通過富氧裝置為發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)充富氧氣體以提高進(jìn)氣的氧含量。通過高海拔發(fā)動(dòng)機(jī)模擬臺(tái)架和高海拔實(shí)裝試驗(yàn)考察富氧技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。高海拔發(fā)動(dòng)機(jī)模擬臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，海拔的增加使發(fā)動(dòng)機(jī)的高海拔使用性能明顯下降，與平原相比，模擬海拔5000 m時(shí)，柴油機(jī)功率平均下降43.2%，燃油消耗率平均增加74.0%；使用富氧技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的高海拔使用性能回復(fù)，在模擬海拔5000 m，柴油機(jī)應(yīng)用富氧裝置后功率平均提高9.9%，燃油消耗率平均下降8.4%。唐古拉泵站的柴油發(fā)電機(jī)高海拔實(shí)裝表明，使用富氧裝置后，平均單位發(fā)電量油耗下降8.52%。試驗(yàn)過程中，使用了富氧技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定、可靠。膜法富氧技術(shù)運(yùn)用于柴油機(jī)，可有效提高柴油機(jī)的高海拔使用性能。

高海拔；柴油機(jī)；膜法富氧；油耗

大部分油料裝備選用發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)選型時(shí)，都是按照海拔1500 m以下使用進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。當(dāng)海拔超過1500 m時(shí)，由于空氣稀薄，發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)惡化，達(dá)不到標(biāo)定扭矩和功率[1-2]。隨之造成油料裝備技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到要求，降低了油料裝備保障效能[3]，影響正常訓(xùn)練、作戰(zhàn)和油料保障。

為提高發(fā)動(dòng)機(jī)的高海拔使用性能，可以采用改變發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)[4-5]、使用含氧燃料[6-8]、使用高效燃料添加劑[9]等方法。富氧燃燒技術(shù)通過膜或其他分離手段提高進(jìn)氣中的氧含量，從而可以提高燃燒效率。富氧燃燒技術(shù)最早應(yīng)用在使用重質(zhì)燃料的鍋爐上[10-11]，隨著富氧燃燒技術(shù)的提高，其用途擴(kuò)大[12-15]。先后有人將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于平原使用的天然氣汽車和點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)中以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能[16-19]。為解決油料裝備用發(fā)動(dòng)機(jī)性能下降問題，文中嘗試將富氧技術(shù)應(yīng)用于高海拔用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中氧含量的方法提高發(fā)動(dòng)機(jī)的高海拔使用性能。

1 試驗(yàn)

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)富氧技術(shù)的選擇

深冷法、變壓吸附法和膜法均可從空氣中制備富氧氣體，其中，膜法具有設(shè)備簡單、操作方便和安全等優(yōu)點(diǎn)，尤其當(dāng)富集氧氣要求濃度不高(＜40％)時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益明顯。文中選用普瑞科爾的卷式膜作為富氧氣體來源，其性能見表1。由表1中數(shù)據(jù)可見，卷式膜的富氧濃度雖低，富氧氣體流量大，可滿足發(fā)動(dòng)機(jī)大進(jìn)氣量的實(shí)際需要。

表1 普瑞科爾卷式膜的富氧效果

1.2 富氧技術(shù)集成于發(fā)動(dòng)機(jī)

以北內(nèi)柴油機(jī)廠的F6L913發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)，為盡可能減少對原發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改裝，采用并聯(lián)進(jìn)氣方式，即保持發(fā)動(dòng)機(jī)原進(jìn)氣系統(tǒng)不變，在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)增加旁通管路通過富氧輔助燃燒裝置為發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)充富氧氣體，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣含氧量增加。為避免增加額外動(dòng)力設(shè)備，將富氧裝置用真空泵、空氣壓縮機(jī)采用共軸式一體化設(shè)計(jì)，使富氧裝置的動(dòng)力取自原發(fā)動(dòng)機(jī)。

發(fā)動(dòng)機(jī)用富氧裝置主體由風(fēng)機(jī)增壓模塊、氣體處理模塊、管路和安裝支架等組成，如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)用富氧裝置原理流程

2 高海拔模擬試驗(yàn)和實(shí)地試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)

為考察富氧裝置對發(fā)動(dòng)機(jī)高海拔使用性能的影響，在軍事交通學(xué)院軍用動(dòng)力機(jī)械高海拔環(huán)境實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了高海拔發(fā)動(dòng)機(jī)模擬臺(tái)架試驗(yàn)，試驗(yàn)流程如圖2所示。

進(jìn)行了平原不使用富氧裝置、模擬5000 m海拔不使用富氧裝置、模擬海拔5000 m使用富氧裝置等三種工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的外特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖3—圖4。從表1可知，海拔的增加使發(fā)動(dòng)機(jī)的高海拔使用性能明顯下降。與平原相比，模擬海拔5000 m時(shí)，F(xiàn)6L913柴油機(jī)功率平均下降43.2%，燃油消耗率平均增加74.0%；使用富氧技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的高海拔使用性能恢復(fù)，在模擬海拔5000 m，F(xiàn)6L913柴油機(jī)應(yīng)用富氧裝置后功率平均提高9.9%，燃油消耗率平均下降8.4%。

圖2 高海拔發(fā)動(dòng)機(jī)模擬臺(tái)架試驗(yàn)原理流程

圖3 不同海拔下柴油機(jī)外特性功率對比

注：試驗(yàn)環(huán)境壓力為100 kPa；大氣溫度為25 ℃；干球?yàn)?5 ℃濕球?yàn)?2 ℃；相對濕度為83%；機(jī)油牌號為0w-40；燃油牌號為0#柴油

2.2 實(shí)地試驗(yàn)

唐古拉山口海拔5231 m，唐古拉泵站用CAT 3306B柴油機(jī)進(jìn)行發(fā)電，在唐古拉泵站進(jìn)行了富氧技術(shù)應(yīng)用于CAT 3306B 柴油機(jī)的高海拔實(shí)裝試驗(yàn)。由于試驗(yàn)條件有限，無法直接測試發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力和油耗，因此將富氧裝置安裝于柴油發(fā)電機(jī)系統(tǒng)后，通過測試使用富氧裝置前后，柴油發(fā)電機(jī)連續(xù)工作10 h的發(fā)電量和油耗，來確定富氧技術(shù)對發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響。試驗(yàn)過程中，使用了富氧技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定、可靠。

使用富氧裝置前，柴油發(fā)電機(jī)連續(xù)工作10 h的發(fā)電量為344 kW·h，累計(jì)油耗為149.29 cm3，計(jì)算平均單位發(fā)電量油耗為0.434 cm3/(kW·h)；使用富氧裝置后，發(fā)電機(jī)連續(xù)工作10 h的發(fā)電量為334 kW·h，累計(jì)油耗為132.45 cm3，計(jì)算平均單位發(fā)電量油耗為0.397 cm3/(kW·h)。由此可知，使用富氧裝置后，平均單位發(fā)電量油耗下降8.52%。

3 結(jié)論

1）將富氧技術(shù)集成于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，成功實(shí)現(xiàn)了膜法富氧技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)上的實(shí)際使用。

2）在模擬海拔5000 m 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)中，使用富氧技術(shù)后，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率平均增加11.8%，油耗平均降低8.41%。

3）富氧技術(shù)在CAT 3306B 柴油機(jī)的高海拔實(shí)裝試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗平均降低8.52%。

膜法富氧技術(shù)應(yīng)用于高海拔柴油機(jī)，可有效提高柴油機(jī)的高海拔使用性能。

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Effects of Membrane-based Oxygen-enrichment Technology on Performance of Diesel Engine at High Altitude

XIONG Yun, LIU Xiao, FAN Linjun, XU Shi-hai

(Army Service College, PLA, Chongqing 401331, China)

To improve the performance of diesel engine at high altitude by membrane-based oxygen-enrichment technology.The spiral-wound oxygen-enriched membrane was used as the source of oxygen enriched air; the engine itself was used as the power source; and the oxygen-enriched device was designed to produce oxygen enriched inlet air. The parallel intake mode was used. The bypass pipeline was added to the engine intake system to supplement the engine with oxygen-enriched air to improve the oxygen content of the inlet air. Influences of oxygen enrichment technology on engine performance were investigated by high altitude engine simulation bench and high altitude real equipment test.The experimental results of high altitude engine simulation showed that the performance of the engine at high altitude obviously decreased with the increase of altitude. Compared with that on the plain, the power of the diesel engine dropped by 43.2 % and the fuel consumption increased by 74.0 % respectively. After using the oxygen enrichment technology, the performance of the engine at high altitude restored. At the simulated altitude of 5000 m, the power of the diesel engine increased by 9.9 %; and the fuel consumption rate decreased by 8.4 % on average. The test on the diesel generator of Tanggula pumping station showed that the average power consumption of the unit decreased by 8.52 % after the use of oxygen-enriched device. During the test, the engine with oxygen enrichment technology was stable and reliable.The membrane-based oxygen-enrichment technology can effectively improve the performance of diesel engine at high altitude.

high altitude; diesel engine; membrane-based oxygen-enrichment; fuel consumption

10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.006

TJ07；TK42

A

1672-9242(2017)10-0031-04

2017-07-28；

2017-08-30

熊云（1962—），男，四川人，博士，教授，主要研究方向?yàn)楣?jié)油技術(shù)。